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新型节能保温材料现状及阻燃技术的研究

发布时间:2018/12/20 浏览量:3114

概述近年来,随着国内经济稳定增长及科技发展,促使建筑物向规模大型化、集中化、立体化、构造特殊化、设备复杂化的趋势发展,但与许多同纬度发达国家相比,房屋的保温隔热性能要差得多。目前,国内大多数建筑的外墙材料以钢筋混凝土、实心黏土砖为主,墙体的导热性较高,在受到太阳的照射后,得室温升高。因此,陕西玻璃棉西安玻璃棉板西安保温材料白色无甲醛玻璃棉板http://www.xajxjc.com西安聚鑫建材有限公司发展新型保温墙体材料不但前景广阔,而且势在必行。目前屋面、墙体保温材料保温节能效果好,但防火涂料及阻燃材料的产品开发和阻燃技术方面的理论研究。

火阻燃性能较差,有时出现龟裂、空鼓、脱落问题。保温墙体材料除具有保温隔热性能,还需具有防火阻燃性能。

央视新址工地火灾事故的教训十分惨痛,通过专家初步现场勘察结果显示,央视新址北配楼着火后,燃烧主要集中在钛合金下面的保温层材料,这种材料防火阻燃性能差,具有表皮过火燃烧蔓延极快的特点。因此瞬间从北配楼顶部蔓延到整个大楼。目前这种新型材料在北京市及全国很多建筑中都有使用,北京大学乒乓球馆着火和沈阳皇朝万鑫国际大厦火灾也是这种情况。鉴于此,开展新型节能保温阻燃材料的研究势在必行,以满足国家对材料既节能保温又防火阻燃的需求,大力发展并推广应用保温隔热技术和材料的阻燃是当务之急。

1节能保温材料的国内外研究现状及发展趋势美国在1975年第1次颁布了ASHRAE(美国采暖、制冷及空调工程协会)标准90-75新建筑物设计节能。以此为基础,1977年12月官方正式颁布了新建筑物结构中的节能法规,并在45个州内收到很明显的节能效果。美国国家能源局、标准局及全国建筑法规和标准大会,不断地在建筑节能设计等方面提出新的内容,每5年便对ASHRAE标准进行修订。美国自从制定第一部节能标准实行至2011年,在此基础上又附加节约430亿美元。

日本住宅金融公库,早在1979年颁布了住宅建筑保温隔热标准,规定了建筑部分热阻,并对所用的各种保温材料规定了最小的限度。丹麦1985年比1972年采暖面积增加了30%,但采暖能耗却减少了318万t标准煤,采暖能耗占全国总能耗的比重也由39%下降为28%.由此可见,国外的建筑节能法规30多年来取得了显著的社会效益和经济效益。

我国墙体、屋顶和门窗单位面积的传热量,是气候条件相近的发达国家的2~5倍,建筑用能浪费极其严重。在欧洲,新建房的采暖能耗已经降到20世纪70年代的1/4~1/6.近几年德国还提出了“零能耗”的建筑理念。目前我国建筑能耗占社会总能耗的27%左右,建筑能源应用效率仅为发达国家的1/3左右。我国长期建筑设计标准大多是沿袭20世纪50年代以来的低标准,房屋围护结构隔热性能差,导致建筑用能效率偏低,造成了极大能源浪费,使用新型墙体保温材料非常必要。因此,发展新型保温墙体材料不但前景广阔,而且势在必行。

我国保温墙体材料,如加气混凝土、石膏板、石膏空心条板、纸面石膏板、空心砌块、空心砖的推广应用取得一定的节能效益。近年来又发展了多种轻质大板材料及结构,如GRC板、聚苯夹芯板、彩钢泡沫夹芯板、岩棉及玻璃夹芯板等,通过应用表明各有特色,但主要问题是价格高。同时还存在防火等级差、吸潮吸湿吸水率大、结构设计及施工规范不配套等,很难普遍推广。目前屋面保温仍采用传统的水泥膨胀珍珠岩、加气混凝土块、炉渣较多。也有采用聚苯板等有机泡沫保温,但其防火等级低,屋面渗漏也是老大难问题。近年来,在北京及其它一些城市的住宅节能示范小区采用憎水膨胀珍珠岩及硅酸盐复合绝热涂料作墙体及屋面保温,取得较好的使用效果及节能效果。国内目前研究、生产和使用比较广泛的保温墙体材料主要可分为以下几类:(1)膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统在北京率先推广应用,并迅速推广到天津、河北、东北三省,及上海、江苏、湖南等一些南方省份,是我国保温节能工程推广较快的系统之一。它使用的保温材料主要为聚苯乙烯泡沫板,辅助材料有专用膨胀蘑菇锚钉、耐碱玻纤网格布、聚合物粘结砂浆、抹面砂浆、外墙涂料或装饰面砖等。施工方法是选用聚合物粘结砂浆将聚苯乙烯泡沫板粘贴于墙体上,用专用膨胀蘑菇锚钉铆固,将耐碱玻纤网格布用防渗抗裂砂浆贴在聚苯乙烯泡沫板上,然后再抹防渗抗裂砂浆,刷外墙涂料或做面砖装饰。其优点有:保温节能效率优良,施工也比较规范;缺点是:防火性能很差、工艺繁杂,且对基层墙体的平整度要求极高、工程造价高(70~90元/m)、保温层牢固程度和使用寿命期限都较差,工程应用上常出现粘结不牢固、抹面防渗抗裂砂浆大面积龟裂、空鼓、脱落等现象,特别是装饰层为面砖时尤为严重,出现面砖与保温层大面积脱落的现象较多。

(2)胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统是继膨胀珍珠岩保温材料之后,应用于外墙内外保温节能的一种主要材料,南方、北方都在推广应用,在江苏、安徽、江西、湖南、湖北等省份应用量较大。它的主要保温材料是聚苯颗粒,辅助材料是聚合物胶粉料、耐碱玻纤网格布、膨胀蘑菇锚钉等。施工方法是将聚苯颗粒与聚合物胶粉料加水预混均匀成浆料状,平抹上墙,然后待其干燥后贴耐碱玻纤网格布,抹防渗抗裂砂浆,然后刷外墙涂料或面砖饰面,面砖饰面的必须用镀锌钢丝网及膨胀蘑菇锚钉固定。优点有:保温节能效果好、保温层与墙体容易粘结,且对基层墙体的平整度要求不高、施工工艺简单、工程造价较低、一般不再现大面积龟裂、空鼓、脱落问题,技术上也是可行的,由于搅拌后的浆料与粉抹传统水泥砂浆一样容易,且粘结强度非常好,所以容易推广普及;缺点有:防火性能较差,但比膨胀聚苯板薄抹灰系统要好一些。胶粉聚苯颗粒保温系统的保温效果与保温层的强度主要的技术矛盾是:保温浆料中聚苯颗粒含量越多,水泥胶粉料含量就越小,保温层的强度就低,而保温节能效果就越好;如果保温浆料中的水泥胶粉料含量越多,聚苯颗粒料含量就越小,保温层的强度就越高,而保温节能效果就越差。故胶粉聚苯颗粒保温系统在施工时的材料配比需严格按照G158―2004胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统的要求与配制才能保证系统的保温节能效果;其次是施工中应注意的细部处理,如墙面伸缩缝的预留、耐碱玻纤网格布或镀锌钢丝网的搭接及膨胀蘑菇锚钉数量及锚栓的长度等均应在施工中加以注意,才能保证整个系统的安全、稳定、长期使用。

⑶无机保温砂浆(或玻化微珠保温砂浆)系统无机保温砂浆(或玻化微珠保温砂浆)系统是一种新型保温隔热材料,保温材料选用无机中空玻化微珠,配以聚合物胶浆料,这种高密度集成的微型中空保温隔热系统的优点有:①由于玻化微珠为无机材料、防火性能好;②抗压强度和压剪粘结强度高;③耐候性好、干缩性小、不用网格布;④施工简便,工程造价较低。缺点有:无机玻化微珠由于密度较大,故其导热系数也较大,保温节能效果也就较差,而为了达到与胶粉聚苯颗粒同等的保温节能效果,一般的措施是加厚保温层厚度,因此也就加大了自重力,影响了保温系统长期安全使用的稳定性能,所以在节能要求达到50%~65%时,该保温系统不宜采用,且也达不到所要求的节能效果。

⑷常用的保温绝热材料岩(矿)棉和玻璃棉统称为矿物棉,属于无机材料。岩棉不燃烧,价格较低,在满足保温隔热性能的同时还具有一定的隔声效果,但质量优劣相差很大,保温性能好的密度低,抗拉强度也低,耐久性比较差。玻璃棉的手感好于岩棉,可改善工人劳动条件,但价格较高。聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯树脂为主要原料,经发泡剂发泡而制成的内部具有无数封闭微孔的材料,其表观密度小,导热系数小,吸水率低,隔声性能好,机械强度高,而且尺寸精度高,结构均匀,因此在外墙保温中应用较广。硬质聚氨酯泡沫塑料具有优越的绝热性能,导热系数低,这是其它材料无法与之相比的。同时,其特有的闭孔结构具有优越的耐水汽性能,不需要额外的绝缘防潮,简化了施工程序,但因其价格较高且易燃,限制了其广泛使用。

总体而言,发展新型保温材料不但前景广阔,而且势在必行。目前国内外研究的保温墙体材料正朝着轻质、高性能(高效防火阻燃功能和可靠性、耐久性)、无机化、施工安装简易化、绿色环保的趋势发展。

2新型节能保温材料的阻燃技术研究和应用目前使用最为广泛的外墙外保温材料暴露出一些问题,其中最为突出的是防火性能。由于外墙外保温材料引发火灾的典型案例如,中央电视台新台址园区文化中心29特别重大火灾事故、北京大学乒乓球馆火灾等。因此,保温材料的火灾危险性引起了公众的高度关注和重视,并且成为保温材料可持续发展的一个关键技术。为此,公安部消防局于2009年给公安部四川消防研究所下达了新型节能保温材料阻燃技术研究任务。课题组在充分调研现有外保温材料技术的基础上,综合考虑经济性、可靠性、实用性,经过2年多的工作,研制出一种便于涂抹施工,适用于外墙外保温的浆料型节能保温阻燃防火材料。

2.1保温隔热无机轻集材料的研究通常的研究认为,硅酸盐类复合保温砂浆的导热系数有随着密度增大而增加的趋势。因此,保温材料的功能是通过其中的核心组成一无机轻集料来实现的。目前市场上的无机轻集料类有开孔膨胀珍珠岩、闭孔膨胀珍珠岩、玻化微珠、膨胀蛭石、陶砂等。其中的陶砂(一般指陶粒中小于5mm的细颗粒),即使是特轻密度陶粒,其密度小于300kg/m3,也较其它轻集料大,导热系数也就自然大了,加厚保温层虽也能达到保温设计要求,但是同时也加大了结构自身负载,且成本随之增加。因此,陶砂作为保温材料使用受到了一定限制。膨胀蛭石因为吸水性很强,最终制品的平衡含水率较高,而水的导热系数比空气的导热系数大得多,导致最终制品的导热系数相应增大,因此,它作为保温材料使用也受到了一定限制。

本项目研究中,经过初步的筛选工作,保温体系的核心组成一无机轻集料,确定为导热系数小的膨胀珍珠岩和玻化微珠,其中,膨胀珍珠岩又分为传统的开孔膨胀珍珠岩和球型闭孔膨胀珍珠岩。

2.2粘结剂的改性研究由于节能保温防火阻燃材料除具有保温隔热、隔声、防火阻燃和较好的理化性能外,还要求其在高温中不炸裂和产生裂缝,同时还应具备耐候、耐水、施工简易、粘结性强等特点,因而节能保温防火阻燃材料所用的粘结剂是关键组份之一。

为使节能保温防火阻燃材料在火灾或高温下能保持一定的强度和结构完整性,选择的粘结剂应当是能在高温下转化为耐高温的胶结材料或能被烧结的粘结材料。该节能保温阻燃浆料体系的主体胶凝材料为普通硅酸盐水泥,在粘结强度、抗裂性、防水性和耐候性等方面存在一定缺陷。因此,必须加入辅助胶粘剂对其进行改性。

在研究中我们采用在粘接剂分子结构中引入无机阻燃元素,赋予材料良好的阻燃性能;另外将几种粘结剂拼合或反应形成复合粘结剂,赋予材料良好的综合性能。利用合成粘结剂相互之间能取长补短,流平性好、成膜后韧性好等特点来达到预期目的。该保温防火阻燃材料的辅助胶粘剂是一种以有机硅改性聚丙烯酸酯类乳液,以提高粘结剂的耐候性和在高温下的粘结性及阻燃性。聚丙烯酸乳液主链由C+C键构成,侧链为羧酸酯基等极性基团,这一结构特征赋予其粘附力强、耐氧化、耐气候和耐油性等优点,其主要缺点耐污、耐水、透湿性较差。聚有机硅氧院(简称有机硅)主链Si―O―Si为无机结构,侧链为一CH3等有机基团,因而是一类典型的半无机半有机高分子。聚有机硅氧院Si―O键能高、内旋转能垒低、分子摩尔体积大、表面能小,导致其具有优异的耐高低温性、耐水性、电绝缘性、耐化学性能和较高的阻燃性。用有机硅对丙烯酸酯进行改性,可综合二者的优点,改善丙烯酸酯“热粘冷脆”、耐候、耐水、耐高温等性能,提高成膜物的力学性能。我们采用在丙烯酸乳液分子结构引入有机硅等其它基团的共聚法,改善聚硅氧烷和聚丙烯酸酯的相容性,抑制有机硅分子表面撄移,使二者分散均匀,从而达到改善聚丙烯酸酯乳液物理机械性能的目的。使研究的新型节能保温防火阻燃材料不仅有高效的保温隔热、耐候、耐水性能和良好的阻燃效果,受火时的粘结性也大大提高。

2.3阻燃添加剂的研究节能保温防火阻燃材料另一关键成分一阻燃添加剂,其对节能保温防火阻燃材料的防火性能影响极大。选择的阻燃剂必须能与粘结剂和防火体系其它成分相互配合,另外还要考虑经济性、火灾时基本不产生毒气和浓烟以及对保温防火阻燃材料的物理性能基本无影响,同时还要提高保温防火阻燃材料的耐候、耐水、防腐蚀等性能。研究中采用在有机阻燃剂中加入复合无机阻燃剂材料的技术路线,首先研究一种新型复合无机阻燃剂为保温防火阻燃材料的阻燃防火体系,使该阻燃剂不仅有良好的阻燃效果,且无毒,燃烧时基本不产生浓烟和毒气。采用锥形量热计、热分析仪、扫描电镜等研究该复合无机阻燃剂在保温防火阻燃材料中的阻燃机理和它对燃烧产物安全性、环保性的作用;并利用这些测试手段深入研究在节能保温材料中加入该复合无机阻燃剂后,如何获得优良的防火阻燃效果,并且具有优良的理化性能和环保性能。

通过研究我们发现,硼酸盐类、磷酸盐类、金属氧化物阻燃剂的阻燃效果甚佳。它们不仅有良好的阻燃效果,且无毒,燃烧时不产生浓烟和毒气,无环境污染,原料来源丰富,是一种新型的绿色环保型阻燃剂。在研究中采用在有机材料中加入无机复合阻燃剂材料的技术路线,使其研究的新型节能保温防火阻燃材料不仅有高效的保温隔热性能和良好的阻燃效果,且无毒,燃烧时不产生浓烟和毒气、原料来源丰富、成本亦低。对其复合阻燃剂的热分解机理、阻燃机理、表观密度、导热系数、吸水率、隔声性能、耐久性、机械强度等方面进行研究。

根据有关资料及国内资源情况,先对预选的阻燃剂进行单项性能试验。通过热重和差热分析,确定阻燃剂的隔热性和阻燃性,并对其密度、吸水、耐热性、防腐蚀性等性能也进行了测试。我们选用的防火体系的阻燃剂是LL磷、铝复合阻燃剂,它是以磷酸、氢氧化铝为原料,在一定条件下反应而制得。

用热分析仪分析该复合阻燃剂的热分解机理。在等速升温条件下,该复合阻燃剂的DTA和TG曲线分别见和。

表1 LL磷、铝复合阻燃剂用量对节能保温阻燃材料性能的影响LL磷、铝复合炉内平均温升试样平均持续试样平均质量烟气自来水中浸泡耐湿热性试验盐雾腐蚀性试验阻燃剂用量/%/丈燃烧时间/s损失率/%毒性24 h24h3次013333.5za3表面略有起泡、无脱落表面颜色微变浅表面颜色微变浅28031.3za2表面基本无变化表面基本无变化表面基本无变化46030.9ZA1表面无变化表面无变化表面无变化66030.7ZA1表面无变化表面无变化表面无变化86030.7ZA1表面略有起泡、颜色微变浅表面基本无变化表面起泡、颜色微变浅注:燃烧性能试验按GB/T 5464―1999定进行;烟气毒性试验按GB/T 20285―2006进行;盐雾腐蚀性试验、耐湿热性试验按GB由可见,该阻燃剂在506001的热分解过程有3个吸热过程。它具有高效的阻燃效果且无毒,燃烧时不产生浓烟和毒气,对环境无污染,化学结合力强、耐高温、热稳定性好、抗震、抗剥落等特点,是一种绿色环保型高效阻燃剂,由于它是一种碱性的磷酸盐,用于节能保温防火阻燃材料中不仅使涂层有高效防火隔热性,同时又具有一定的防腐作用。为了提高节能保温防火阻燃材料的防腐蚀性能和耐火性能,我们在研究中选用加入了一定量阻燃添加剂如改性偏硼酸钡、聚磷酸铝及铝的氧化物。在大量的实验研究中发现,随着LL磷、铝阻燃剂加入量的增高反而使防腐性能有所下降。实验研究了LL磷、铝复合阻燃剂的用量对节能保温防火阻燃材料性能的影响(见表1)。

当酚醛树脂用量为40%时,膨胀玻化微珠的筒压强度可以提高近1倍。

综上所述,当酚醛树脂用量为40%时,膨胀玻化微珠的筒压强度可以增加近1倍。而此时膨胀玻化微珠的堆积密度提高约10kg/m3,吸水率下降近2倍,而导热系数仅略有增大。因此,膨胀玻化微珠表面通过酚醛树脂增强改性后,其综合性能可以得到显著提高。

3结语膨胀玻化微珠经过酚醛树脂包覆改性以后,表现出了更加优异的性能,筒压强度显著提高,吸水率大大降低,同时保持了膨胀玻化微珠良好的绝热性能和低密度的特性。这使得膨胀玻化微珠在轻质砂浆、轻质保温隔热板材等制品的生产中使用更为方便,在相关产品的加工和运输过程中将有效降低膨胀玻化微珠的破损率,保持膨胀玻化微珠的颗粒完整性。

同时,通过酚醛树脂包覆改性也有望进一步拓展膨胀玻化微珠的应用领域。(上接第75页)由表1可见,在该节能保温防火阻燃材料中加入LL磷、铝复合阻燃剂后,大大提高了保温阻燃材料的防火隔热效果,但是若LL磷、铝复合阻燃剂含量太高,则会使保温阻燃材料变脆,附着力降低,耐湿热、耐水、耐腐蚀性能有所下降,LL磷、铝复合阻燃剂含量为4%~6%时性能最佳。

2.4节能保温防火阻燃材料的实验研究通过实验检测分析调整配方再检测再分析这样大量的实验研究,研制出在一定温度下,用有机硅改性丙烯酸乳液的最佳量值,摸索和研究共混改性乳液、防火体系和阻燃添加剂、轻质骨料及其它成分合理配比的最佳量值。在节能保温防火阻燃材料配方设计的具体方法上,我们利用先进的检测仪器,借助正交设计等优选方法,达到提高配方设计的效率及可靠性的目的,从而得到具有优异的防火隔热性能和理化性能的节能保温防火阻燃材料的配方。

3结语研究出的新型节能保温防火阻燃材料,具有综合性能优良,达到国内外先进水平的特点。它防火阻燃性能高,燃烧性能为A1级材料;该节能保温防火阻燃材料是一种轻质保温隔热、隔音防火阻燃材料,密度小,料浆干表观密度为292kg/m3,抗压强度为350kPa,导热系数为0.072W(nrK)会给建筑物的轻量化及其它方面带来极大的好处。该保温防火阻燃